Жылуулук энергиясын жогорку эффективдүү электр энергиясына айландыруу: методдор жана жабдуулар

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-02 13:58

Жылуулук энергиясы адамдын иш-аракетинде өзгөчө орунду ээлейт, анткени ал экономиканын бардык тармактарында колдонулуп, көпчүлүк өндүрүш процесстерин жана элдин тиричилигин коштоп жүрөт. Көпчүлүк учурларда таштанды жылуулук кайтарылгыс жана эч кандай экономикалык пайдасыз жоголот. Бул жоголгон ресурс мындан ары эч нерсеге арзыбайт, ошондуктан аны кайра колдонуу энергетикалык кризисти азайтууга да, айлана-чөйрөнү коргоого да жардам берет. Ошондуктан жылуулукту электр энергиясына айландыруунун жана калдык жылуулукту электр энергиясына айландыруунун жаңы жолдору бүгүнкү күндө болуп көрбөгөндөй актуалдуу болуп саналат.

Электр энергиясын өндүрүүнүн түрлөрү

Табигый энергия булактарын электр энергиясына, жылуулукка же кинетикалык энергияга айландыруу CO2 эмиссиясын азайтуу үчүн өзгөчө газ жана көмүр менен иштеген электр станцияларында максималдуу натыйжалуулукту талап кылат_{2. Айландыруу үчүн ар кандай жолдор баржылуулук энергиясы электр энергиясына, баштапкы энергиянын түрлөрүнө жараша.}

Энергетикалык ресурстардын ичинен көмүр жана жаратылыш газы күйүү жолу менен электр энергиясын өндүрүү үчүн (жылуулук энергиясы), ал эми уран өзөктүк бөлүнүү жолу менен (өзөктүк энергия) буу турбинасын айлантуу үчүн буу энергиясын пайдалануу үчүн колдонулат. Сүрөттө 2017-жылдын электр энергиясын өндүрүүчү алдыңкы он өлкөсү көрсөтүлгөн.

Жылуулук энергиясын электр энергиясына айландыруу боюнча иштеп жаткан системалардын эффективдүүлүгүнүн таблицасы.

	Жылуулук энергиясынан электр энергиясын өндүрүү	Натыйжалуулук, %
1	ТЭЦ, ЖЭБ	32
2	Атомдук станциялар, атомдук электр станциялары	80
3	Конденсациялык электр станциясы, IES	40
4	Газтурбиналык электр станциясы, GTPP	60
5	Термиондук өзгөрткүчтөр, ТЭЦтер	40
6	Термоэлектрдик генераторлор	7
7	MHD электр генераторлору ТЭЦ менен бирге	60

Жылуулук энергиясын энергияга айландыруу ыкмасын тандооэлектр жана анын экономикалык максатка ылайыктуулугу энергияга болгон муктаждыкка, табигый отундун болушуна жана курулуш аянтынын жетиштүүлүгүнө жараша болот. Өндүрүштүн түрү дүйнө жүзү боюнча ар кандай, натыйжада электр энергиясына баалардын кеңири диапазону пайда болот.

Салттуу электр энергетикасынын көйгөйлөрү

Жылуулук электр станциялары, атомдук электр станциялары, IES, газ турбиналык электр станциялары, ТЭЦ, термоэлектрогенераторлор, MHD генераторлору сыяктуу жылуулук энергиясын электр энергиясына айландыруу технологияларынын ар кандай артыкчылыктары жана кемчиликтери бар. Электр энергиясын изилдөө институту (EPRI) табигый энергия өндүрүү технологияларынын оң жана терс жактарын көрсөтүп, курулуш жана электр энергиясына, жерге, сууга болгон талаптар, CO2 эмиссиясы_{2, ысырап, жеткиликтүүлүк жана ийкемдүүлүк.}

EPRI натыйжалары электр энергиясын өндүрүү технологияларын кароодо бардыгына бирдей мамиле жок экенин баса белгилейт, бирок жаратылыш газы дагы эле көбүрөөк пайда алып келет, анткени ал курулуш үчүн жеткиликтүү, электр энергиясынын баасы төмөн жана газ чыгарууга караганда азыраак чыгат. көмүр. Анткен менен бардык эле өлкөлөр мол жана арзан жаратылыш газына ээ боло бербейт. Кээ бир учурларда, Чыгыш Европада жана Батыш Европанын кээ бир өлкөлөрүндө болгондой, геосаясий чыңалуудан улам жаратылыш газына жетүү коркунуч алдында турат.

Шамал сыяктуу кайра жаралуучу энергия технологияларытурбиналар, күн фотоэлектрдик модулдары эмиссиялык электр энергиясын өндүрөт. Бирок алар көп жерди талап кылышат, эффективдүү натыйжасы туруксуз жана аба ырайына жараша болот. Жылуулуктун негизги булагы болгон көмүр эң көйгөйлүү. Ал CO2 эмиссиясына алып келет_{2, муздаткычты муздатуу үчүн көп таза суу талап кылынат жана станциянын курулушу үчүн чоң аянтты ээлейт.}

Жаңы технологиялар электр энергиясын өндүрүү технологияларына байланыштуу бир катар көйгөйлөрдү кыскартууга багытталган. Мисалы, резервдик батарея менен айкалышкан газ турбиналары отун күйгүзбөстөн күтүлбөгөн резервдик резервди камсыз кылат, ал эми үзгүлтүксүз кайра жаралуучу ресурстардын көйгөйлөрү жеткиликтүү масштабдуу энергияны сактоону түзүү аркылуу жумшартылышы мүмкүн. Ошентип, бүгүнкү күндө жылуулук энергиясын электр энергиясына айландыруунун эч кандай идеалдуу жолу жок, ал айлана-чөйрөгө минималдуу таасири менен ишенимдүү жана үнөмдүү электр энергиясын бере алат.

ТЭЦ

ТЭЦте катуу отунду (негизинен көмүрдү) күйгүзүү аркылуу сууну жылытуудан алынган жогорку басымдагы жана жогорку температурадагы буу генераторго туташтырылган турбинаны айлантат. Ошентип, ал өзүнүн кинетикалык энергиясын электр энергиясына айлантат. Жылуулук электр борборунун иштөө компоненттери:

1. Газ меши бар казан.
2. Буу турбинасы.
3. Генератор.
4. Конденсатор.
5. Муздатуу мунаралары.
6. Айланма суу насосу.
7. Азыктандыруу насосуказанга суу.
8. Мажбурланган желдеткичтер.
9. Бөлүргүчтөр.

Жылуулук электр станциясынын типтүү диаграммасы төмөндө көрсөтүлгөн.

Буу казаны сууну бууга айландыруу үчүн колдонулат. Бул процесс отундун күйүүсүнөн жылытуу менен түтүктөрдөгү сууну жылытуу аркылуу ишке ашырылат. Күйүүчү процесстер сырттан аба менен камсыздалган күйүүчү камерада үзгүлтүксүз жүргүзүлөт.

Буу турбинасы генераторду иштетүү үчүн буу энергиясын өткөрөт. Жогорку басымдагы жана температурадагы буу валга орнотулган турбинанын кабактарын түртүп, ал айлана баштайт. Бул учурда турбинага кирген өтө ысытылган буунун параметрлери каныккан абалга чейин төмөндөйт. Каныккан буу конденсаторго кирет, ал эми айлануу күчү токту пайда кылган генераторду айлантуу үчүн колдонулат. Бүгүнкү күндө дээрлик бардык буу турбиналары конденсатор тибинде.

Конденсаторлор бууну сууга айландыруучу түзүлүштөр. Буу түтүктөрдүн сыртына, муздаткыч суу түтүктөрдүн ичинде агат. Бул дизайн беттик конденсатор деп аталат. Жылуулук берүүнүн ылдамдыгы муздаткыч суунун агымына, түтүктөрдүн бетинин аянтына жана суу буусу менен муздаткыч суунун ортосундагы температура айырмасына жараша болот. Суу буусунун алмашуу процесси каныккан басымда жана температурада жүрөт, бул учурда конденсатор вакуумда болот, анткени муздаткыч суунун температурасы сырткы температурага барабар, конденсат суунун максималдуу температурасы сырткы температурага жакын.

Генератор механиканы айлантатэнергияны электрге айлантуу. Генератор статор жана ротордон турат. Статор катушкаларды камтыган корпустан, ал эми магнит талаасынын айлануучу станциясы катушканы камтыган өзөктөн турат.

Өндүрүлгөн энергиянын түрүнө жараша ЖЭБ электр энергиясын өндүргөн конденсациялык ЖЭБге жана жылуулукту (буу жана ысык сууну) жана электр энергиясын биргелешип өндүргөн комбинацияланган ЖЭБге бөлүнөт. Акыркылары жылуулук энергиясын жогорку натыйжалуулук менен электр энергиясына айландыруу мүмкүнчүлүгүнө ээ.

Атомдук электр станциялары

Атомдук электр станциялары сууну жылытуу жана буу чыгаруу үчүн ядролук бөлүнүү учурунда бөлүнүп чыккан жылуулукту пайдаланат. Буу электр энергиясын иштеп чыгуучу чоң турбиналарды айландыруу үчүн колдонулат. Бөлүнүүдө атомдор бөлүнүп, энергияны бөлүп чыгарат. Процесс реактордун ичинде ишке ашат. Анын борборунда уран 235 камтыган ядро жайгашкан. Атомдук электр станциялары үчүн отун 235U (0,7%) жана 238U (99,3%) изотопун камтыган урандан алынат.

Ядролук отун цикли – бул атомдук энергетикалык реакторлордо урандан электр энергиясын өндүрүүгө катышкан өнөр жайлык кадамдардын сериясы. Уран дүйнө жүзү боюнча салыштырмалуу жалпы элемент болуп саналат. Ал бир катар өлкөлөрдө казылып, күйүүчү май катары колдонулганга чейин иштетилет.

Электр энергиясын өндүрүүгө байланыштуу иш-аракеттер атомдук электр станцияларында жылуулук энергиясын электр энергиясына айландыруу үчүн ядролук отун цикли деп аталат. ЯдролукКүйүүчү майдын цикли уранды казып алуудан башталып, өзөктүк калдыктарды көмүү менен аяктайт. Атомдук энергиянын варианты катары колдонулган күйүүчү майды кайра иштетүүдө анын кадамдары чыныгы циклди түзөт.

Уран-плутоний отун цикли

Атомдук электр станцияларында колдонууга отун даярдоо үчүн отун элементтерин казып алуу, иштетүү, конверсиялоо, байытуу жана өндүрүү процесстери жүргүзүлөт. Күйүүчү майдын айлануусу:

1. Уран 235 күйүп кетет.
2. Шлак - 235U жана (239Pu, 241Pu) 238U.
3. 235U ажыроодо анын керектелиши азаят жана электр энергиясын өндүрүүдө 238Uден изотоптор алынат.

VVR үчүн күйүүчү май таякчаларынын баасы өндүрүлгөн электр энергиясынын болжол менен 20% түзөт.

Уран реактордо үч жылдай убакыт өткөргөндөн кийин, колдонулган отун таштандыларды көмүүгө чейин убактылуу сактоону, кайра иштетүүнү жана кайра иштетүүнү камтыган башка колдонуу процессинен өтүшү мүмкүн. Атомдук электр станциялары жылуулук энергиясын түздөн-түз электр энергиясына айландырууну камсыз кылат. Реактордун өзөгүндө ядролук бөлүнүү учурунда бөлүнүп чыккан жылуулук сууну бууга айландыруу үчүн колдонулат, ал буу турбинасынын канаттарын айлантып, генераторлорду электр энергиясын өндүрүү үчүн айдайт.

Бууну муздатуу мунарасы деп аталган электр станциясындагы өзүнчө түзүлүштө сууга айландыруу жолу менен муздатылат, ал көлмөлөрдөн, дарыялардан же океандан келген сууну буу электр чынжырынын таза суусун муздатуу үчүн колдонот. Муздатылган суу буу өндүрүү үчүн кайра колдонулат.

Атомдук электр станцияларында электр энергиясын иштеп чыгаруунун салыштырма салмагыкээ бир өлкөлөрдүн контекстинде жана дүйнөдөгү ресурстардын ар кандай түрлөрүн өндүрүүнүн жалпы балансы - төмөндөгү сүрөттө.

Газтурбиналык электростанция

Газтурбиналык электр станциясынын иштөө принциби буу турбиналык электр станциясына окшош. Бир гана айырмасы буу турбиналык электр станциясы турбинаны айлантуу үчүн кысылган бууну колдонот, ал эми газ турбиналык электр станциясы газды колдонот.

Газтурбиналык электр станциясында жылуулук энергиясын электр энергиясына айландыруу принцибин карап көрөлү.

Газ турбиналык электр станциясында аба компрессордо кысылган. Андан кийин бул кысылган аба күйүү камерасы аркылуу өтөт, анда газ-аба аралашмасы пайда болот, кысылган абанын температурасы көтөрүлөт. Бул жогорку температура, жогорку басым аралашмасы газ турбинасы аркылуу өткөрүлөт. Турбинада ал кескин кеңейип, турбинаны айлантуу үчүн жетиштүү кинетикалык энергияны алат.

Газ турбиналык электр станциясында турбинанын валы, генератор жана аба компрессору кеңири таралган. Турбинада пайда болгон механикалык энергия жарым-жартылай абаны кысуу үчүн колдонулат. Газ турбиналык электр станциялары көбүнчө гидроэлектростанциялардын резервдик көмөкчү энергиясы катары колдонулат. Ал ГЭСти ишке киргизүүдө көмөкчү энергияны иштеп чыгат.

Газтурбиналык электростанциянын артыкчылыктары жана кемчиликтери

Дизайнгаз турбиналык электр станциясы буу турбиналык электр станциясына караганда алда канча жөнөкөй. Газ турбиналык электр станциясынын көлөмү буу турбиналык электр станциясынан кичине. Газ турбиналык электр станциясында казан компоненти жок, демек, система анча татаал эмес. Буу жок, конденсатор же муздатуу мунарасы талап кылынбайт.

Күчтүү газ турбиналык электр станцияларын долбоорлоо жана куруу алда канча жеңил жана арзан, капиталдык жана эксплуатациялык чыгымдар ушуга окшош буу турбиналык электр станциясынын наркынан алда канча аз.

Газ турбиналык электр станциясындагы туруктуу жоготуулар буу турбиналык электр станциясына салыштырмалуу кыйла азыраак, анткени буу турбинасында казан электр станциясы система тармакка жүк бербесе да үзгүлтүксүз иштеши керек.. Газ турбиналык электр станциясын дээрлик заматта иштетсе болот.

Газтурбиналык электр станциясынын кемчиликтери:

1. Турбинада пайда болгон механикалык энергия аба компрессорун айдоо үчүн да колдонулат.
2. Турбинада пайда болгон механикалык энергиянын көбү аба компрессорун айдоо үчүн колдонулгандыктан, газ турбиналык электр станциясынын жалпы эффективдүүлүгү эквиваленттүү буу турбиналык электр станциясындай жогору эмес.
3. Газ турбиналык электр станциясындагы газдар казандагыдан абдан айырмаланат.
4. Турбинаны иш жүзүндө иштетүүнүн алдында абаны алдын ала кысылышы керек, ал газ турбиналык электр станциясын ишке киргизүү үчүн кошумча кубат булагын талап кылат.
5. Газдын температурасы жетиштүү жогоругаз турбиналык электр станциясы. Бул эквиваленттүү буу турбинасына караганда системанын иштөө мөөнөтүн кыскартат.

Эффективдүүлүгү төмөн болгондуктан, газ турбиналык электр станциясын коммерциялык энергия өндүрүү үчүн колдонууга болбойт, ал адатта ГЭС сыяктуу башка кадимки электр станцияларын көмөкчү кубат менен камсыз кылуу үчүн колдонулат.

Термиондук өзгөрткүчтөр

Аларды термиондук генератор же термоэлектр кыймылдаткычы деп да аташат, алар жылуулукту жылуулук чыгаруунун жардамы менен түздөн-түз электр энергиясына айландырышат. Жылуулук энергиясын термиондук нурлануу деп аталган температурадан улам пайда болгон электрон агымы процесси аркылуу өтө жогорку натыйжалуулукта электр энергиясына айландырууга болот.

Термиондук энергияны өзгөрткүчтөрдүн иштөө принциби электрондор ысытылган катоддун бетинен вакуумда бууланып, андан кийин муздак аноддо конденсацияланат. 1957-жылы биринчи практикалык демонстрациядан бери термиондук кубаттуулукту өзгөрткүчтөр ар кандай жылуулук булактары менен колдонулуп келет, бирок алардын бардыгы жогорку температурада иштөөнү талап кылат - 1500 Кден жогору. Термиондук күч өзгөрткүчтөрү салыштырмалуу төмөн температурада (700 К - 900 K) мүмкүн болсо, процесстин эффективдүүлүгү, адатта > 50%, катоддон бир аймакка бөлүнүп чыгуучу электрондордун саны ысытуу температурасына көз каранды болгондуктан, бир кыйла төмөндөйт.

Кадимки катод материалдары үчүнметаллдар жана жарым өткөргүчтөр сыяктуу эле, эми чыгарылган электрондордун саны катоддун температурасынын квадратына пропорционалдуу. Бирок, жакында жүргүзүлгөн изилдөө жылуулук температурасын ысык катод катары графенди колдонуу менен чоңдук тартиби менен азайтса болорун көрсөттү. Алынган маалыматтар 900 Кда иштеген графенге негизделген катоддук термоконвертер 45% эффективдүүлүккө жетише аларын көрсөтүп турат.

Электрондук термиондук эмиссия процессинин схемалык схемасы сүрөттө көрсөтүлгөн.

TIC графенге негизделген, мында Tc жана Ta тиешелүүлүгүнө жараша катоддун температурасы жана аноддун температурасы. Термиондук эмиссиянын жаңы механизминин негизинде изилдөөчүлөр графенге негизделген катоддук энергия конвертору көбүнчө 700дөн 900 Кге чейинки температура диапазонуна жеткен өнөр жай калдыктарын кайра иштетүүдө өзүнүн колдонулушун таба алат деп болжолдошууда.

Лян жана Энг тарабынан сунушталган жаңы модель графенге негизделген кубаттуулукту конвертер дизайнына пайда алып келиши мүмкүн. Негизинен термоэлектр генераторлор болгон катуу абалдагы электр кубатын өзгөрткүчтөр, адатта, төмөнкү температура диапазонунда натыйжасыз иштешет (пайдалуулугу 7% дан аз).

Термоэлектрдик генераторлор

Калдык энергияны кайра иштетүү бул максатка жетүү үчүн инновациялык ыкмаларды ойлоп тапкан изилдөөчүлөрдүн жана илимпоздордун популярдуу максаты болуп калды. Эң перспективдүү багыттардын бири нанотехнологияга негизделген термоэлектрдик приборлор болуп саналат, алэнергияны үнөмдөөнүн жаңы ыкмасы окшойт. Жылуулуктун түздөн-түз электр энергиясына же электр энергиясын жылуулукка айландыруу Пельтиер эффектинин негизинде термоэлектрдик деп аталат. Тагыраак айтканда, эффект эки физиктин – Жан Пелтиер менен Томас Зейбектин атынан коюлган.

Пелтиер эки түйүнгө туташтырылган эки башка электр өткөргүчкө жиберилген ток бир түйүн ысып, ал эми экинчи түйүн муздай турганын аныктады. Пелтиер изилдөөсүн улантып, висмут-сурьма (BiSb) кошулган жеринде агымды жөн эле өзгөртүү менен бир тамчы сууну тоңдурууга болорун аныктады. Пелтье ошондой эле температуранын айырмасы ар кандай өткөргүчтөрдүн туташкан жерине жайгаштырылса, электр тогу агып кетээрин аныктады.

Жылуулук агымын түздөн-түз электр энергиясына айландыра алгандыктан, термоэлектр энергиянын өтө кызыктуу булагы. Бул өтө масштабдуу жана кыймылдуу бөлүктөрү же суюк отун жок энергия конвертер, бул кийимден баштап ири өнөр жай объектилерине чейин көп жылуулук текке кетүүчү дээрлик бардык жагдайларга ылайыктуу.

Жарым өткөргүчтүү термопар материалдарында колдонулган наноструктуралар жакшы электр өткөргүчтүктү сактоого жана жылуулук өткөрүмдүүлүктү азайтууга жардам берет. Ошентип, термоэлектрдик түзүлүштөрдүн натыйжалуулугун нанотехнологияга негизделген материалдарды колдонуу аркылуу жогорулатууга болот. Peltier эффектин колдонуу. Алар жакшыртылган термоэлектрдик касиеттерге жана күн энергиясын жакшы сиңирүү жөндөмдүүлүгүнө ээ.

Термоэлектрдин колдонулушу:

1. Энергетикалык камсыздоочулар жана сенсорлор диапазондордо.
2. Алыстан байланыш үчүн зымсыз ресиверди башкарган күйүп жаткан май лампа.
3. МР3-плеерлер, санарип сааттар, GPS/GSM чиптери жана дененин жылуулугу бар импульсметрлер сыяктуу кичинекей электрондук шаймандарды колдонуу.
4. Люкс унааларындагы отургучтарды тез муздатуу.
5. Унаадагы калдык жылуулукту электр энергиясына айландыруу аркылуу тазалаңыз.
6. Заводдордон же өнөр жай объектилеринен чыккан жылуулукту кошумча энергияга айландырыңыз.
7. Күн термоэлектрикасы, өзгөчө күн нуру аз аймактарда электр энергиясын өндүрүү үчүн фотоэлектрдик элементтерге караганда натыйжалуураак болушу мүмкүн.

MHD электр генераторлору

Магнитогидродинамикалык электр генераторлору кыймылдуу суюктуктун (көбүнчө иондоштурулган газ же плазма) жана магнит талаасынын өз ара аракеттенүүсү аркылуу электр энергиясын иштеп чыгат. 1970-жылдан бери бир нече өлкөлөрдө MHD изилдөө программалары көмүрдү отун катары колдонууга өзгөчө көңүл бурулуп ишке ашырылып келет.

MHD технологиясын генерациялоонун негизги принциби жарашыктуу. Эреже катары, электр өткөргүч газ казылып алынган күйүүчү майларды күйгүзүү менен жогорку басымда өндүрүлөт. Андан кийин газ магнит талаасы аркылуу багытталат, натыйжада анын ичинде индукция мыйзамына ылайык электр кыймылдаткыч күч иштейт. Фарадей (19-кылымдагы англис физиги жана химиги Майкл Фарадейдин аты менен аталган).

MHD системасы кадимки газ турбиналык генератордогудай эле газды жогорку басымдан төмөнкү басымга чейин кеңейтүүнү камтыган жылуулук кыймылдаткычы. MHD системасында газдын кинетикалык энергиясы түз электр энергиясына айландырылат, анткени анын кеңейишине жол берилет. MHD түзүүгө болгон кызыгуу адегенде плазманын магнит талаасы менен өз ара аракеттешүүсү айлануучу механикалык турбинага караганда бир топ жогору температурада болушу мүмкүн экендигинин ачылышынан улам пайда болгон.

Жылуулук кыймылдаткычтарынын эффективдүүлүгү боюнча чектөө көрсөткүчтөрү 19-кылымдын башында француз инженери Сади Карно тарабынан белгиленген. Анын көлөмүнүн ар бир куб метрине MHD генераторунун чыгуу кубаттуулугу газ өткөргүчтүк продуктусуна, газдын ылдамдыгынын квадратына жана газ өткөн магнит талаасынын күчүнүн квадратына пропорционалдуу. MHD генераторлору атаандаштыкка жөндөмдүү, жакшы өндүрүмдүүлүк жана акылга сыярлык физикалык өлчөмдөр менен иштеши үчүн плазманын электр өткөрүмдүүлүгү 1800 К (болжол менен 1500 C же 2800 F) жогору температура диапазонунда болушу керек.

MHD генераторунун түрүн тандоо колдонулган күйүүчү майга жана колдонууга жараша болот. Дүйнөнүн көптөгөн өлкөлөрүндөгү көмүр запастарынын көптүгү электр энергиясын өндүрүү үчүн MHD көмүртектүү системаларынын өнүгүшүнө өбөлгө түзөт.